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Teoría de Lie, representaciones y física de partículas

Esta es una pregunta que se ha publicado en muchos foros diferentes, pensé que tal vez alguien aquí tendría una respuesta mejor o más conceptual que he visto antes:

¿Por qué los físicos se preocupan por las representaciones de los grupos de Lie? Para mí, cuando pienso en una representación que significa que hay algún tipo de grupo que actúa sobre un espacio vectorial, ¿cuál es el espacio vectorial sobre el que actúa este grupo de Lie?

¿O es que ciertas cosas tienen que ser invariables bajo una acción de grupo? tal vez sea una pregunta tonta, pero pensé que podría ser un buen comienzo...

Para aclarar, estoy pensando específicamente en los grupos de simetría que la gente piensa en relación con el modelo estándar. No me importa por qué puede ser un determinado grupo, sino más bien cómo vemos que actúa el grupo, sobre qué actúa etc.

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saint_groceon Puntos 2696

Permítanme hacer un intento. Cuando construimos una teoría, sospechamos que los objetos de los que se ocupa pueden ser bastante complicados. Es natural que queramos encontrar los "bloques de construcción" más simples de los que están hechos los objetos complicados. Si nuestra teoría fuera absolutamente arbitraria, no podríamos clasificar estos bloques de construcción simples. Afortunadamente, al construir teorías notamos que la lagrangiana que especificamos y el estado de vacío tienen ciertas simetrías. Una vez que lo notamos, entonces es pura matemática mostrar que los objetos simples de nuestra teoría deben clasificarse según representaciones del grupo de simetría de la lagrangiana y del estado de vacío.

Nótese que hay algunas simetrías que nos resultan obvias, que percibimos (como la invariancia bajo el grupo de Poincare), y hay algunas simetrías que inventar (como las simetrías gauge no abelianas). En este último caso sabemos que, por construcción, todos los estados macroscópicos (incluido el estado de vacío) deben ser invariantes bajo este nuevo grupo de simetría interno. Esto nos da un atajo para la afirmación de que el objeto simple de nuestra teoría debe clasificarse según las representaciones del nuevo grupo.

Y lo que se refiere a la pregunta concreta:

¿entonces la partícula fundamental actúa sobre los estados cuánticos?

Cuando decimos que una partícula o un campo está en la representación R del grupo G, no queremos decir que las partículas estén asociadas a matrices de la representación R que actúan sobre otra cosa. Más bien queremos decir que la partícula puede escribirse en términos de estados propios de matrices que representan operadores en R. Por lo tanto, son las transformaciones del grupo de simetría las que actúan sobre las partículas.

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Coincoin Puntos 12823

El espacio vectorial sobre el que se actúa suele ser un espacio de Hilbert de estados en mecánica cuántica; a grandes rasgos, hay una base de este espacio vectorial que está en correspondencia uno a uno con el conjunto de posibilidades de un sistema físico. El ejemplo más sencillo para tratar de entenderlo es el de la partícula de espín 1/2 (representación 2 dim de SU(2)), que se explica en cualquier libro de introducción a la mecánica cuántica.

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Matthew Elvey Puntos 105

Ver el Teorema de Wigner En este caso, se explica rigurosamente la relación entre un grupo de simetrías y los estados de una partícula física.

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